信号声在8点15分17秒准时停止，费雷比大喊“投掷炸弹”，蒂贝茨立即把飞机操纵杆向右急转，作了个155度的俯冲，这可以避免飞机被卷入“小男孩”爆炸时产生的巨大漩涡中。
炸弹投下43秒后，距离飞机下方6英里处，第3个开关准时关闭，天空顿时出现一道强烈的白光，一团粉中带紫的烟雾和火焰翻卷而上，并且不停地在膨胀、膨胀、膨胀。闪光亮如白昼，照亮了飞机上的所有仪表盘，仿佛它们自己发出了光芒。蒂贝茨感到这团光芒似乎伸手可触，后来他回忆说，他闻到了铝的味道。卡伦独自坐在机尾，他看到了极为恐怖的一幕：一个巨大的灰色球状烟云在不停地挤压、膨胀，随后翻腾而上，直奔飞机而来。他想大声喊叫，但是他的喉咙里好像被什么东西卡住了一样，发不出任何声音。冲击波重重地撞击着飞机，人们在机舱里被震得像木偶一样摇来晃去。蒂贝茨以为飞机被日军的高射炮击中了，他大叫：“是高射炮，”费雷比大喊：“这些狗娘养的在射击我们。”此时，卡伦终于能喊出声了，随后就不停的尖声惊叫：“又来了，又来了。”这时，第二次冲击波再次袭来，飞机颠簸得非常厉害。最后，冲击波终于过去了，“埃诺拉·盖伊”号又恢复了平静。
贝瑟尔站起来，打开录音机，准备把机组人员的感受录下来。在机尾坐着的卡伦说：“一大团烟云在快速地翻转上升，这团烟云包裹着一个像火一样在燃烧的赤红的球体，在它四周裹挟着一团又一团紫灰色的泡沫状物质，所有的一切都不可思议。它不停地燃烧、翻腾、爆炸，四周都是猎猎喷出的火焰，仿佛是一个巨型煤床在燃烧……然后就是蘑菇云来了。它几乎和我们平行，而且一直在翻滚上升。它的颜色非常黑，但是比云层多了一丝淡紫色。在它下面的城市一定……”。
下午2：58，“埃诺拉·盖伊”号返回提尼安岛，斯帕茨将军和几千名将士都在等待他们凯旋归来。当蒂贝茨走出机舱时，将军就迫不及待地走上前去，将十字勋章别在了他的飞行服上。此时，杜鲁门总统坐着“奥古斯塔”号巡洋舰正从波茨坦返回美国。他通过收音机知道了这个消息。
华盛顿时间8月5日午夜，格罗夫斯将军在办公室里得知了这个消息，随后他通知了马歇尔将军。他整夜都呆在军事指挥中心等待法雷尔，后者将在4点半向前者汇报更多的细节。
8月6日黎明，他把报告递交给了马歇尔将军，马歇尔在长岛的家中打电话给陆军部长史汀生，他们两人都同意发表事先准备好的总统声明。杜鲁门的声明通过商业电台传遍了全美国，同时，通过短波传到了日本。声明节本如下：
这是一枚原子弹，他利用了宇宙的自然能量，这种来自太阳的巨大能量将惩罚那些在远东挑起战争的人们。为了使日本人民免遭毁灭性的打击，7月26日的波茨坦会议后，我们已经发布了最后通牒，但是他们的领导当时立即就拒绝了。如果现在他们仍然不接受我们的条款，那么他们就等待着灾难从天而降吧！这是人类历史上从未出现过的。
在东京，第一个听到杜鲁门声明的高级官员是内阁部长迫水久长。是他还在睡觉的时候，多媒新闻社打过电话来告诉他的。他认为这是体体面面退出战争的最佳机会，于是，他打电话告诉了铃木首相，随后又通知了掌玺大臣木户幸一侯爵。而后者就把这个消息告诉了天皇。天皇惊恐万分，他说：“我们必须向事实低头，不管他们会怎样处置我，我们都得尽快结束战争。”
但日本政府并没有回应天皇，因为即使天皇受到万民的爱戴，但是他所拥有的权力并不比他的画像多多少，真正的决定权在内阁手里。而在目前的形势下，内阁还没有打算结束战争。
广岛爆炸并没有打破内阁长期以来的僵持，第二天，铃木首相召集内阁成员开会，在会上，外交部长东乡再次建议接受波茨坦公告。他说：“原子弹彻底改变了军事形势，军界有理由结束战争。”但是军方仍坚持在本土进行最后防线的浴血奋战。陆军部长阿南惟几宣称没有必要投降，他说：“而且我们还不知道是否是真的原子弹。”他警告说这可能是美国人的一个圈套，毕竟除了杜鲁门的声明，还没有找到任何证据表明这是原子弹。
阿南惟几至多同意派日本最优秀的核物理专家二岛义南到广岛进行调研，然后递交调查报告。陆军情报部部长有末清三中将本来打算陪同二岛义南前去广岛，但是因为一次空袭警报，有末先于二岛一天独自到达广岛。薄暮时分，他的座机飞临广岛上空，他看到了一些令人迷惑的景象，以至于机长无法确定这是不是广岛。有末走下旋梯，站在一片荒芜的旷野上——没有声音，没有灯光，没有任何动静。这与他从前所见过的任何一个被轰炸过的城市都绝然不同。一个前来接他的陆军上校向他敬礼时，有末发现他的左脸被严重烧伤。
上校开着汽艇将有末送到了一个码头，在那儿，他遇到了一位军事研究所的老朋友马场秀男中将，他任职于陆军海上运输司令部。马场说自己的女儿在去上学的路上遇难了，“不仅仅是我的女儿，还有数以千计天真可爱的孩子都惨遭不幸。这种新炸弹非常恐怖，太残忍了，绝对不能使用它。”
第二天，二岛到达广岛，他立刻断言这的确是原子弹爆炸所为，他猜测是一枚铀弹，因为他本人已经用这种特殊金属进行了多年的实验。他问有末，自己还是否应该继续核研究？将军无以答复。
但是，光有二岛的专家报告并不够，日本内阁中的军事分子不会轻易改变立场的，他们也不会向日本人民透露这一事实。只允许报纸、广播进行模糊的报道，说是敌机投掷了一些“新型”炸弹，使广岛遭受了“大面积”的破坏。
日本政府只有把希望寄托在苏联身上，外交部长东乡给日本驻莫斯科大使佐藤尚武发了一封信，信中沮丧地写道：“今日局势非常糟糕，我们必须尽早明白苏联的态度，请多多努力，尽快答复。”
佐藤接到命令后即刻打电话给苏联外交部。
几个星期以来，他一直试图告诉东京政府，莫斯科既没有兴趣调解纷争，结束战争，也不想续订《苏日中立条约》，尽管还有一年条约才到期。
佐藤也并不期望这次能有好运气，但是，他无论如何都没有想到，苏联方面答复很快。
出于好奇，苏联外交部长莫罗托夫约定，将于8月8日晚8点与日本大使见面。后来莫罗托夫一直对佐藤的电话置之不理，甚至找各种理由推辞。但是，8日下午早些时候，当佐藤被电话通知会面提前到下午5点的时候，他感到非常意外。
佐藤来到克里姆林宫，莫罗托夫立即接见了他，但是他态度生硬，甚至没有遵循正式的外交礼仪而径自说：“在此，我以苏联政府的名义，向你宣读一份对日声明。”此时，佐藤在莫罗托夫指定的椅子上坐下，而莫罗托夫则坐在一张长桌子旁，然后开始宣读声明，“德国战败投降后，日本是惟一要将战争进行到底的国家……”。在宣读了四段解释苏联对盟军的神圣义务和责任后，莫罗托夫说：“综上所述，苏联政府宣布从明日起，即8月9日，苏联将对日本宣战。”
佐藤知道抗议是毫无意义的，此刻他惟一值得做的就是捍卫自己的个人尊严。最后，他彬彬有礼地走出了克里姆林宫。莫罗托夫向他致以最高的个人敬意，并保证，如果佐藤希望的话，他可以帮他发送电报，甚至可以用密码电报。佐藤回到大使馆后，他发现电话线已经被切断，连无线设备都已被没收走。佐藤离开克里姆林宫仅仅两个小时后，160万红军便突破满洲里边防线，扑向了关东军。这支曾经声名远扬，令人闻风丧胆的关东军却被仅仅只有60万名面黄肌瘦的红军吓成了一团。
在莫罗托夫接见佐藤的同一天，华盛顿收到了第一张由美军侦察机所拍摄的广岛照片。广岛的惨状引起了高层官员的激烈争论。参谋长联席会议主席莱希上将看到照片时深感震惊，他认为这是一种非常不人道的武器。他说美国因为使用原子弹“已经把自身的道德水平下降到黑暗时代的野蛮人了”；陆军部长史汀生也同样忧虑，但是更多的关心接下来的事情，而且，即便如此，他还是对使用了原子弹持肯定态度。史汀生认为和日本坐下来好好谈判的时刻到来了，他说：“如果你惩罚你的狗，你不可能在惩罚之后还会对它发脾气。如果你想取得效果，惩罚应该适可而止。与日本打交道也同样道理，他们实际上是一个温和的民族，我们必须以相同的处事原则与他们相处。”
杜鲁门总统并不很赞成史汀生的意见，他说他已认识到自己对照片里深受苦难的人民负有“极大的责任”，但是，日本没有投降，甚至没有投降的苗头，尽管他们已接到警告。所以，他提醒他的顾问们，除非自己通知有改变，第二枚原子弹将会按计划在8月9日投掷，而且一旦所有零部件运送到提尼安岛，那么很快就是第三枚，第四枚。
第二枚原子弹（也叫“胖子”）与“小男孩”一样有三个保险开关，并且一样威力无穷。不过它比“小男孩”笨重庞大，“腰围”接近5英尺，总长10英尺8英寸。它的中心是一个钚圆球，而不是铀。“小男孩”是通过点火，推动后部的核料撞击位于前段的另一块核料，二者相遇达到临界状态，产生链式反应，造成爆炸；而“胖子”是在钚球四周安装了64块可爆炸的“透镜”，通过这些外部的爆炸，引发弹体内部同时爆炸，向球心压缩裂变材料，使核弹达到临界状态，发生爆炸。我们丝毫不必怀疑它的爆炸威力，因为它的原型就是在阿拉默果尔多试验成功的“胖子”，所以，人们也把它叫做“胖子”。
蒂贝茨上校派遣查尔斯·斯温尼少校运送“胖子”，他曾在第一次任务中运输过相关设备。因为这些设备依然放在斯温尼的飞机上，所以借来了弗雷德里克·博克上校的飞机（著名的“博克之车”）。雷达专家贝瑟尔中尉是“埃诺拉·盖伊”号上惟一一位要执行第二次任务的军官。
因为蒂贝茨上校和他的手下几乎完美地完成了广岛任务，所以斯温尼也想成功完成这项任务。可天不遂人愿，“博克之车”从任务开始就霉运连连。